安培力大小定量研究装置*

唐素珍*

(石狮第一中学 福建 泉州 362700)

安培力大小定量研究装置*

唐素珍*

(石狮第一中学 福建 泉州 362700)

高中教材中关于安培力的大小仅限于定性探究，安培力的大小公式F=BIL往往直接而生硬地给学生．本实验在课本实验的基础上进行改进，将安培力的定性探究转为定量探究，使得实验从定性过渡到定量，更符合学生的认知的规律．

安培力 定量 实验

1 设计背景

“探究磁场对电流的作用”是《物理·选修3-1》司南版(山东科技出版社)第6章的第1节．教材中对安培力的大小探究只局限于定性探究安培力大小与磁场强弱B，电流大小I，以及通电导体在磁场中的长度L的关系．

定性实验探究的结论只能说明：磁场越强、电流越大、通电导体在磁场中的长度越长，导体受到的安培力也就越大．并不能由此说明安培力F与B，I，L成正比，而得到安培力的大小公式：F=BIL．笔者为了解决此不足，自制了安培力大小定量研究装置．现把实验原理及实验装置简单介绍如下.

2 实验原理

导体棒跟磁场垂直放置，如图1所示，用细线悬挂的导体棒受到安培力作用后偏离竖直方向一个角度θ，由平衡条件知

F=mgtanθ

当θ很小时

其中l为悬线的长度，x为导体棒在l与过O点的竖直线所在平面内，导体棒截面到竖直线的距离.所以安培力

这样，我们就可以通过测定x的值来确定F的大小了．

图1 用细线悬挂的导体棒受到安培力的分析

3 实验装置

(1)磁铁.实验室的U形磁铁7块．事先用磁感应强度测试仪测一下，选用磁感应强度值相同的．在其背面贴上双面胶，将其等间距固定在桌面上．

图2 测定安培力大小的实验装置

(2)导体棒.选用铝制毛衣针，长度约为35 cm，质量约为2.5 g．悬挂线是从多股导线中抽出来的细铜丝，上端与小夹子焊在一起，截取约50 cm长．导体棒悬挂在一根绝缘的水平横梁上．整个导体棒上下都是活动的．

(3)电源和电路.电源选用J1202学生电源，稳压2 A，变阻器为50 Ω，1.5 A，电流表为演示电流表，将它们串接起来便可．

(4)测定磁场力的标尺和指针(测量装置).根据实验原理，导体棒在磁场中偏转的距离x，可以代表磁场力F的大小，测定这个x需在毛衣针上粘贴一个小指针(用一小纸片制成)，在磁铁的一个侧面贴上一段均匀刻度的标尺，并使指针贴近标尺，如图3所示．

图3 测定磁场力的标尺和指针

4 操作说明

(1)通过给导体棒串联一滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值改变流经导体棒的电流I，研究通电导体所受安培力F与电流I的关系．

(2)装置中整个导体棒上下都是活动的，所以可以通过移动导体棒上端的夹子改变悬点位置，下端改变悬线与导体棒的接线位置来改变接入电路的导体的长度，研究通电导体所受安培力F与导体在磁场中的长度L的具体关系．

由于笔者水平有限，还未能解决安培力F与磁感应强度B的具体关系．因为考虑到装置中如果撤去磁铁，不但改变了磁感应强度B，同时还改变了通电导体在磁场中的长度L．

5 实验过程

(1)保持通电导线在磁场中的长度L(L=7L0)一定，改变导线中的电流I(100，80，60，40，0 mA)，测定导线所受安培力F(x)，研究F(x)跟I的关系，表1为实验数据．

表1

(2)保持通电导线中的电流I(I= 100 mA)一定，改变导线在磁场中的长度L(用磁铁数目表示，取7L0，5L0，3L0，1L0，0)，测定导线所受安培力F(x)，研究F(x)跟L的关系，表2为实验数据．

表2

其中，L0为一块磁铁的长度．

(3)处理实验数据，得出结论

1)作出位移x和电流I图像，如图4所示.

图4 x-I图像

从图像上，我们可以看出，偏转距离x与电流I成正比，x越大，反映安培力F越大．

结论1：安培力的大小F与电流I成正比

2)作出x-L图像，如图5所示.

图5 x-L图像

从图像上，我们可以看出，x与L成正比，经过分析，同理有安培力的大小F与通电导体在磁场中的长度L成正比．

结论2：安培力的大小F与通电导体在磁场中的长度L成正比

总结：综上所述，安培力的大小F与与电流I成正比，与通电导体在磁场中的长度L成正比．

6 实验注意

(1)注意固定磁铁时，两块磁铁之间应间隔一段距离，不能紧靠在一起，间距约为1.5 cm．

(2)由于铜棒受安培力发生偏转时，悬点处会有一定的扭转力距．若是扭转力距过大，铜棒偏转不明显，在测定导体棒在磁场中偏转的距离x时就带来较大的实验误差．为此，在笔者在自制教具时，悬挂线的铜丝并不是直接缠绕在绝缘横梁上，而是将铜丝焊在小夹子上，再让小夹子夹住绝缘横梁．

(3)电流不能太大．导体棒在磁场中偏离竖直方向的距离不能太大，最大只能几个毫米，不然，由于导体棒在各个位置的磁感应强度不一致，会破坏线性关系．实验表明，导体棒移动的范围应在两磁极中央，在磁极内侧的一小段范围内．

7 设计反思

本实验装置取材简单，原理明了，现象直观．将课本中的定性实验转化为定量实验．在教学中，更有说服力．但是，该实验装置也存在一些不足：

(1)还未能解决安培力F与磁感应强度B的具体关系．因为考虑到装置中如果撤去磁铁，不但改变了磁感应强度B，同时还改变了通电导体在磁场中的长度L；

(2)装置U形磁铁的磁场只有在端口处一小段范围内才是匀强磁场，所以实验中的精度要求要高，操作上显得繁琐．

**福建省教育科学“十二五”规划常规果题“高中物理教材二次开发案例研究”，项目编号：FJJK15-454

2016-08-17)